Сергеев А.Г. Конспекты лекций по дисциплине - Системы управления полупроводниковыми преобразователями - Микропроцессорные системы управления полупроводниковыми преобразователями
Подождите немного. Документ загружается.
естественного открывания УВ (в этом случае
ПД
ТT
). Программа занимает
период Тэвм и определяет соответствующий минимальный угол открывания
тиристоров
ЭВМC
T
0
. После загрузки блоков БЗИ и БРИ значениями
N
и
Т
N
ЭВМ переходит в режим ожидания, если на данном интервале должен
включиться один тиристор, или в режим прерывания с последующей
повторной загрузкой БЗИ и БРИ, если на данном интервале должны
включиться два или три тиристора. Блоки БЗИ и БРИ выполняются на основе
программируемого таймера (РТ) и регистра (RG) с усилительно-
распределительным узлом (рис.7).
Ð T
D
R
Ò
C
N
f ã
R G
D
R
C
Ø Ñ
N
Á Ç È
Á Ð È
&
&
&
T 1
T 2
T 6
Рис. 7
В интервале времени
ЭВМ
T
должна вписаться вся программа цифровой
системы управления – алгоритмы цифровых регуляторов и СИФУ. Если
используемая микропроцессорная техника не позволяет выполнить
отмеченное условие, то в системе управления появляется дополнительное
запаздывание на один такт дискретности УВ. При этом расчет выполняется
на такте n-1, а реализация программы – на такте n.
Таким образом, мы рассмотрели работу одноканальной программно-
аппаратной СИФУ. Аппаратные затраты на создание одноканальных
цифровых СИФУ практически не изменяются при увеличении числа фаз УВ.
Если таким же образом реализовать многоканальную СИФУ, то потребуется
m
таймеров (на каждый канал управления). Поэтому, при программно-
аппаратном способе реализации СИФУ в основном применяются
одноканальные СИФУ
Одноканальная микропроцессорная СИФУ
В варианте цифровой СИФУ, рассмотренном выше, задержка импульсов
управления осуществлялась с помощью программируемого таймера ПТ, а
для распределения импульсов использовались регистры. При современных
достижениях в области микропроцессорной техники, эти функции
реализуемы в самом микропроцессоре или микроконтроллере без
применения внешних аппаратных средств.
Рассмотрим микропроцессорную одноканальную СИФУ. Сегодня
практически все микропроцессоры имеют в своем составе встроенные
таймеры-счетчики, поэтому целесообразно функции задержки и
распределения импульсов возложить на микропроцессор. В этом случае
аппаратная часть СИФУ будет иметь только узел синхронизации и блок
выходных каскадов.
На рис. 8 показана схема микропроцессорной одноканальной СИФУ.
Ô
u a
T 1
T 2
T 6
Ì Ï
Ó È
Ê
Рис. 8
В этой схеме синхронизация СИФУ осуществляется только по одной
фазе, например по фазе А, и имеется один фильтр Ф. Для выделения
синхроимпульса используется компаратор К (в некоторых микропроцессорах
имеется встроенный компаратор). Импульсы тиристоров остальных фаз
синхронизируются также относительно фазы А. Импульсы управления
непосредственно с микропроцессора через усилители УИ поступают на
тиристоры. Синхронизация осуществляется при переходе напряжения
синхронизации
a
U
через ноль (например, с отрицательного значения в
положительное) по прерыванию микропроцессора (внешнее прерывание по
фронту). В данной СИФУ синхронизация осуществляется один раз за период
сетевого напряжения (20мс).
Рассмотрим алгоритм работы одноканальной СИФУ на примере 16-
разрядного цифрового сигнального процессора ADMC300 фирмы Analog
Devices, структурная схема которого показана на рис. 9 (СИФУ на других
процессорах реализуется аналогично). Для отсчета угла управления
используется программируемый таймер, который генерирует периодические
прерывания с интервалом, кратным циклам процессора. Таймер ADMC300
имеет регистр счета TCOUNT, регистр периода TPERIOD и регистр
масштаба TSCALE. Содержимое 16-разрядного счетчика TCOUNT
декрементируется в каждые k циклов (k-1 является коэффициентом
масштабирования, значение которого хранится в 8-разрядном регистре
масштабирования TSCALE). Когда значение в регистре счетчика становится
равным нулю, генерируется прерывание, а затем в регистр счетчика
загружается значение из 16-разрядного регистра периода TPERIOD.
Прерывание происходит через каждые (TCOUNT+1)(TSCALE+1) тактов.
Запись нового значения в регистр TSCALE или TCOUNT оказывает эффект
незамедлительно. При записи нового значения в регистр TPERIOD никаких
изменений не происходит до перезагрузки регистра TCOUNT. Импульс
управления выдается в момент прерывания при обнулении регистра счетчика
таймера. Регистры таймера настраиваются таким образом, чтобы в
установившемся режиме таймер выдавал прерывания через время, равное
периоду дискретности УВ, т.е. каждые 0,0033с при
6m
. Для сети 50Гц
время 0,0033с соответствуют 60 эл. градусам, а в УВ с
6m
в
установившемся режиме импульсы управления выдаются каждые 60 эл.
градусов. При тактовой частоте 25МГц (тактовая частота процессора)
записывая в регистр TPERIOD 0х2733 (10035), а в регистр TSCALE 0х07 (7),
получим прерывание через (10035+1)х(7+1)=80288 циклов или 80288х40х10
-
9
=0,0033с, что и требуется для реализации СИФУ. В этом случае
минимальная дискрета угла
составляет 5,8х10
-3
эл.град.
Если процессор не имеет регистра периода, то перезагрузка таймера
после выдачи импульса осуществляется программно.
Рис. 9
На рис. 10 показана силовая схема трехфазного УВ (
6m
), где номера
тиристоров показаны в порядке очередности их включения. Далее номера
тиристоров будут соответствовать рисунку 10.
A
V 1
Z n
B
C
V 3 V 5
V 2 V 6 V 4
Рис. 10.
Ò 1 / Ò 6 Ò 2 / Ò 1 Ò 3 / Ò 2 Ò 4 / Ò 3 Ò 5 / Ò 4 Ò 6 / Ò 5
¹ ÿ ÷ å é ê è
Ò è ð è ñ ò î ð
1 2 3 4 5 6
Рис.11
Номер открываемого тиристора определяется по таблице, приведенной
на рис. 11. В таблице показана пара тиристоров, так как тиристоры
открываются парами. Эта таблица хранится в памяти микропроцессора. Для
выбора тиристора используется указатель, который указывает на ячейку в
таблице. Например, при
60...0
эл. и переходе напряжения синхронизации
через ноль необходимо открыть тиристоры Т1/Т2, поэтому указатель должен
указывать на первую ячейку в таблице, а при
120...60
эл. – на шестую
ячейку (должны открываться тиристоры Т6 и Т1). Алгоритм синхронизации
одноканальной СИФУ в микропроцессорном исполнении представлен на
рис.12.
Å ñ ò ü
ï ð å ð û â à í è å
ï î ñ è í õ ð ?
Ä à
= > 1 2 0 °
Ä à
Í å ò
= > 6 0 °
Ä à
Í å ò Í å ò
ñ è í õ ð
= 6 0 °
¹ Ò = Ò 6 / Ò 5
ñ è í õ ð
= 1 2 0 °
¹ Ò = Ò 5 / Ò 4
ñ ò
=
-
ñ è í õ ð
Ç à ï è ñ ü
ñ ò
â ò à é ì å ð
ñ è í õ ð
= 0 °
¹ Ò = Ò 1 / Ò 6
Рис. 12.
При переходе сигнала синхронизации
a
U
через ноль (точка
естественного открывания тиристора) анализируется текущее значение угла
управления, код которого получается на выходе регулятора. Время задержки,
записываемое в таймер, определяется вычитанием из угла управления
вспомогательного угла
CИНХР
, который зависит от угла управления.
Например, для
90
после перехода сигнала синхронизации импульс
управления должен выдаваться на тиристор V6. Так как, относительно
момента синхронизации импульс должен выдаваться через
30
, в счетчик
записывается
306090
СИНХРСТ
. Одновременно с этим указатель
тиристоров будет указывать на ячейку 6, так как импульс необходимо
выдать на тиристоры V6 и V5. После выдержки времени таймер выдает
сигнал на выдачу импульса управления на соответствующий тиристор, а в
таймер записывается значение выдержки времени для следующего тиристора
(V1 после V6) и указатель увеличивает свое значение на 1. Выдержка
времени составляет 3,3 мс для выпрямителя с
6m
. После выдачи импульса
на V1 в таймер снова записывается выдержка времени 3,3 мс для тиристора
V2. Этот процесс повторяется до следующего перехода сигнала
синхронизации через ноль.
Значение времени выдержки, записанное в таймер, корректируется в
каждом цикле расчета
Д
T
при получении нового значения угла
регулирования. Время
Д
T
может задаваться как время преобразования АЦП
или с помощью таймера (при их достаточном количестве в составе
процессора). На процессоре ADMC300 можно
Д
T
задать как время
преобразования АЦП и его величина может принять значение до 30мкс.
На рис. 13 представлен алгоритм работы подпрограммы СИФУ. Угол
получается вычитанием управляющего сигнала
У
U
с начального угла
НАЧ
(аналог управляющего органа в аналоговых СИФУ). Для
6m
начальный
угол
120
НАЧ
. Далее определяется изменение (приращение) угла
У
на
текущем интервале вычисления
Д
nT
по сравнению с предыдущим
интервалом
Д
Tn )1(
. Если
0
У
(установившийся режим), то значение
таймера не меняется и после обнуления и выдачи импульсов таймер
загружается значением, соответствующим выдержке времени
60
. В
противном случае вычисляется сумма текущего значения таймера
CT
и
приращения угла
У
. Далее возможны два случая.
=
í à ÷
-
U
ó
ó
=
-
n -
1
Ä à
ñ ò
=
ñ ò
+
ó
ñ ò =
> 0
Ä à
Í å ò
ó
= 0
Í å ò
* = > 0
Ä à
Ç à ï è ñ ü
*
â T P E R I O D
Ç à ï è ñ ü
ñ ò
â ò à é ì å ð
Î ñ ò à í î â
ò à é ì å ð à
* =
ñ ò
+ 6 0 °
Ç à ï è ñ ü 1
â ò à é ì å ð
Í å ò
* =
* + 6 0 °
Ó ê à ç à ò å ë ü
¹ Ò + 1
Ç à ï ó ñ ê
ò à é ì å ð à
n -
1
=
Рис. 13
1. Сумма больше нуля. Это означает, что для открытия указываемого
тиристора от текущего момента времени осталось время, соответствующее
значению суммы. В этом случае значение суммы записывается в таймер и он
продолжит выдержку времени для нового значения угла. Этот случай
соответствует увеличению угла
или незначительному уменьшению, когда
значение таймера в текущий момент времени позволяет отсчитать выдержку
для нового угла.
2. Сумма меньше нуля. Это означает, что в текущий момент время
открытия указываемого тиристора прошло. Отрицательное значение
показывает, сколько времени назад должны были открыть указываемый
тиристор с новым значением угла. В этом случае таймер останавливается и в
него записывается 1, чтобы сразу открыть указываемый тиристор. Далее
сумма увеличивается на
60
и получим значение
*
(определяется сколько
осталось времени для открытия следующего тиристора от текущего момента
времени).
Если значение суммы
*
положительное, то ее значение записываем в
регистр периода (чтобы после выдачи импульса на текущий тиристор таймер
перезагрузился этим значением, который показывает сколько осталось
времени от текущего момента до открытия следующего тиристора с новым
углом).
Если значение
*
отрицательное (т.е. в текущий момент время
открывания следующего тиристора тоже прошло), то сумма еще раз
увеличивается на
60
и увеличивается указатель тиристора на 1. И так до тех
пор, пока сумма не станет положительной.
После записи регистра периода запускается таймер. Он сразу же
обнулится (выдаст импульс на указываемый тиристор) и перезагрузится
значением регистра периода и начинает отсчет времени для следующего
тиристора уже с новым значением угла.
В конце алгоритма СИФУ новое значение угла присваивается старому.
A
U
ñ è ë
V 1
U
ñ è í õ ð
.
Y Z X
t
1
1 5 °
t
2
4 5 °
t
1
1 5 0 °
à ) á )
Â Ñ A
Â
U
ñ è ë
Ñ
A
 A
Â
U
ñ è í õ ð
.
V 2
V 3
V 4
V 5
V 6
V 1
V 2
V 3
V 4
V 5
V 6
Y Z
Y Z X
Y Z
Рис. 14
На рис. 14 показаны временные диаграммы работы одноканальной
СИФУ. На рис. 14, а до момента времени
1
t
угол управления был
120
. В
момент времени
1
t
угол скачком уменьшается до
30
, в этот момент
указатель тиристоров был T1/T6. В этом случае приращение углов составит
9012030
У
. В момент времени
1
t
в таймере будет значение
45
CT
. Сумма текущего значения таймера и приращения угла составит
459045
УCT
. Сумма меньше нуля (тиристор Т1 должны были
открыть
45
раньше момента времени
1
t
), поэтому таймер останавливается,
в него записывается 1, определяется сумма
156045
*
. Это означает,
что следующий тиристор (Т2) должен быть открыт через
15
и значение
*
записывается в регистр периода. Далее запускается таймер. После
прерывания, таймер перезагружается регистром периода и указатель
увеличивается на 1 и будет указывать на тиристор Т2. После выдачи
импульса на тиристор Т2 таймер перезагружается значением
60
(установившийся режим) и так до тех пор пока не изменится значение угла.
Если бы уменьшение угла произошло в момент времени
2
t
(рис. 14, а),
то текущее значение таймера было бы
15
CT
и его сумма с приращением
угла составит
759015
УCT
. В момент времени
2
t
указатель был на
тиристоре Т4/Т3. Так как сумма меньше нуля, то таймер останавливается,
записывается 1, определяется сумма
156075
*
. Эта сумма также
меньше нуля, поэтому указатель увеличивается на 1 (будет указывать Т5/Т4),
сумма еще увеличивается на
60
:
45601560
**
. Это значение
записывается в регистр периода. Запускается таймер. После прерывания
выдается импульс на тиристор Т5/Т4 и таймер перезагрузится значением
45
.
Через
45
выдается импульс на тиристор Т6/Т1. Таким образом, момент
изменения угла (значение
CT
в момент изменения угла) при уменьшении
угла влияет на выдачу импульсов (в примере на рис. 14,а импульс на
тиристор Т4/Т3 не выдается вообще).
При увеличении угла по алгоритму СИФУ определяется приращение
угла управления и суммируется с текущим значением таймера. Сумма
записывается в таймер, после обнуления которого выдается импульс на
указываемый тиристор. На рис. 14, б в момент времени
1
t
угол
увеличивается с
30
до значения
165
, текущее значение таймера
15
CT
,
указатель Т2/Т1. Приращение угла составит
135
У
, а сумма текущего
значения таймера и приращения угла
15013515
УCT
. В таймер
записывается
150
, по истечении которого выдается импульс на тиристор Т2/
Т1. Далее работа идет в установившемся режиме.
СИФУ для трехфазной нулевой схемы УВ совпадает для мостовой. Но
имеет следующие отличия:
1. Количество тиристоров три.
2. Начальный угол
150
НАЧ
3. В алгоритме синхронизации (рис. 12) имеется только
120
СИНХР
4. В алгоритме СИФУ (рис. 13) для суммирования используется угол
120
5. В установившемся режиме в регистре периода значение
120
.
Многоканальная микропроцессорная СИФУ